نویسنده و گردآورنده : شهرام خبیر

فضا – زمان – حرکت

پدیده تداخل برای ذرات نیز میتواند اتفاق بیفتد، چرا که مکانیک کوانتوم بدوگانگی قائل است. آزمایش معروف دو شکاف، مثال خوبی در اینمورد است (شکل ٢-٤) یک دیواره با دو شکاف موازی باریک روی آن را در نظر بگیرید. در یک طرف دیواره منبع نور تکرنگی (منظور نوری با طول موج معین است) قرار میدهیم. بیشتر نور به دیواره برخورد میکند ولی مقدار اندکی از شکافها می گذرد. حال فرض کنید در آن سوی دیواره و بفاصله نسبتاً دوری از آن، پرده ای قرار دهیم. هر نقطه روی پرده، امواجی را از دو شکاف دریافت می دارد. اما بطور کلی مسافتی که نور از منبع تا هر یک از دو شکاف و از شکاف ها تا پرده مقابل می پیماید، یکسان نیست. در نتیجه امواجی که از شکافها عبور میکنند، هنگام رسیدن به پرده با یکدیگر، هم فاز نیستند: در پاره ای نقاط آنها یکدیگر را خنثی میکنند و در پاره ای دیگر، همدیگر را تقویت می نمایند. حاصل، نقشی از نوارهای تاریک و روشن است. نکته حائز اهمیت آنست که اگر منبع نور را با یک منبع تولید ذرات عوض کنیم و مثلاً از یک منبع الکترون با سرعت معین (یعنی امواج متناظر، طول موج معینی دارند) استفاده نمائیم، نقشی کاملاً یکسان بدست خواهیم آورد. این پدیده عجیبتر به نظر میرسد اگر بدانیم که چنانچه دیواره تنها یک شکاف می داشت، دیگر سایه روشنی در کار نمی بود و توزیع یکنواختی از الکترون ها روی پرده بوجود میآمد. بنا بر این ممکن است فکر کنیم که باز کردن شکاف دوم، تعداد الکترونهائی را که به هر نقطه صفحه رو برو برخورد میکند، افزایش میدهد  ،اما براثر تداخل در برخی جاها، این تعداد عملاً کاهش می یابد. اگر از هر شکاف در هر لحظه یک الکترون عبور کند، می توان انتظار داشت که هر الکترون از این یا آن شکاف گذشته باشد و بنابراین چنان رفتار کند که گوئی شکافی که از میانش عبور کرده، تنها شکاف موجود بر دیواره بوده است -یعنی توزیع یکنواختی روی پرده حاصل شود. اما در عالم واقع، حتی وقتی که در هر بار یک الکترون ارسال می شود، نوارهای سایه روشن همچنان ظاهر میشود. بنابراین هر الکترون باید در یک زمان از هر دو شکاف گذشته باشد. پدیده تداخل بین ذرات در شناخت ما از ساختار اتم ها -یعنی واحدهای اساسی شیمی/ زیست شناسی و عناصر تشکیل دهنده ما و هر آنچه پیرامون ما است، نقشی قاطع بازی کرده است. در ابتدای این قرن، می پنداشتند که اتمها کمابیش چونان منظومه شمسی اند. الکترونها (ذرات با دار منفی) مثل سیارات بگرد هسته مرکزی که بار مثبت دارد، در حرکتند. جاذبه میدان بار مثبت و منفی نیز الکترونها را در مدار خود حفظ می کند، همانطور که جاذبه گرانشی میان خورشید و سیارات، سیارات را در مدارشان نگه می دارد. اما مشکل آنجا بود که قوانین مکانیک و الکتریسیته، پیش از مکانیک کوانتوم، پیش بینی میکرد که الکترونها انرژی از دست خواهند داد و بطرف مرکز، مسیری مار پیچی را طی خواهند کرد تا سرانجام با آن برخورد نمایند. معنی این پیش بینی آن بود که اتم و در واقع همه ماده بسوی وضعیتی بسیار چگال فروخواهد پاشید. در سال ۱۹۱۳، نیلز بور دانشمند دانمارکی راه حلی نسبی برای این مشکل یافت. بنظر او شاید الکترونها قادر نباشند در هر فاصله ای از مرکز اتم، مدار خود را انتخاب کنند بلکه تنها در فاصله های معین و مشخصی این امر امکانپذیر است. حال اگر فرض کنیم که تنها یک یا دو الکترون، در هر یک ازین فاصله های معین و مشخص، گرد هسته بچرخند مسئله فروپاشی اتم حل می شود چرا که آنها نمیتوانند بیش از مدارهایی که کمترین انرژی و کوتاهترین فاصله از مرکز را دارند، به هسته اتم نزدیک شوند. این مدل بخوبی ساختمان ساده ترین اتم، هیدروژن، را که تنها یک الکترون بگرد هسته اش میگردد، توضیح می داد. اما معلوم نبود چگونه باید آن را به اتم های پیچیده تر تعمیم داد. بعلاوه، فکر مجموعه محدودی از مدارها، بنظر بسیار دلبخواهی میرسد. نظریه جدید مکانیک کوانتوم این مشکل را حل کرد. بر اساس این نظریه، الکترونی را که در مدار خود گرد هسته می چرخد، می توان بمثابه موجی انگاشت که طول موج آن بستگی به سرعتش دارد. طول مدارهای معینی، متناظر با تعداد صحیحی (در تقابل با یک عدد کسری) از طول موج های الکترون می باشند. در این گونه مدارها، یک تاج موج پس از یکدور گردش بدور هسته، در همان وضعیت اولیه خود قرار می گیرد و بنابراین امواج با یکدیگر جمع میشوند: این مدارها متناظر با مدارهای مجاز«بور» می باشند. اما در مدارهایی که طول آنها مضرب صحیحی از طول موج نیستند، ضمن گردش الکترون، هر تاج موج با یک حضیض سرانجام خنثی می گردد؛ این مدارها مجاز نیستند.

یک شیوه زیبای تجسم دوگانگی موج/ ذره باصطلاح -جمع تاریخچه ها- نام دارد و بوسیله دانشمند آمریکایی- ریچارد فین مان – ابداع شده است. در این رویکرد، ذره مثل نظریه های کلاسیک و غیر کوانتومی، تاریخچه یا مسیری واحد در فضا – زمان ندارد. در عوض فرض می شود که ذره برای رفتن ازA به B هر مسیر ممکنی را می پیماید. متناظر با هر مسیری، یک زوج عدد هست: یکی اندازه یک موج و دیگری وضعیت در سیکل (یعنی اینکه آیا در تاج یا حضیض قرار دارد) را نشان میدهد. با جمع کردن امواج کلیه مسیرها، احتمال رفتن از A به B بدست می آید. بطور کلی اگر مجموعه ای از مسیرهای همجوار را مورد مقایسه قرار دهیم، فازها یا وضعیت ها در سیکل، اختلاف زیادی با یکدیگر دارند. این به معنی آنست که موجهای متناظر با این مسیرها، تقریباً یکدیگر را بطور کامل خنثی میکنند. اما در بعضی از مجموعه های مسیرهای مجاور، تفاوت زیادی بین فازهای مسیرها، بچشم نمی خورد. امواج این مسیرها خنثی نمیشوند؛ این مسیرها نظیر مدارهای مجاز «بور» می باشند.

وقتی این اندیشه ها بصورت ریاضی و محسوس در آیند، بطور نسبتاً سرراستی میتوان مدارهای مجاز را در اتمهای پیچیده تر و حتی در ملکولها، که از چندین اتم تشکیل شده و الکترونها در مدارهایی بگرد بیش از یک هسته می چرخند، محاسبه کرد. از آنجا که ساختمان ملوکولها و واکنش آنها نسبت به یکدیگر، اساس تمام شیمی و زیست شناسی است، مکانیک کوانتوم بطور اصولی بما اجازه میدهد که هر چیز را که پیرامون خویش می بینیم، در چهار چوب اصل عدم قطعیت پیش بینی کنیم.( اما در عمل، محاسبات مربوط به دستگاههایی که بیش از چند الکترون دارند، چنان پیچیده است که ما قادر به انجام آنها نیستیم. )

نظریه نسبیت عام انشتین بر ساختمان کلان جهان حاکم است. نسبیت عام نظریه ای کلاسیک است؛ یعنی اصل عدم قطعیت مکانیک کوانتومی را، که در صورت سازگاری با دیگر تئوری ها باید بحساب آورد، مد نظر قرار نمی دهد. علت آنکه اختلافی بین نظریه و مشاهده بچشم نمی خورد آنست که معمولاً سروکارمان با میدانهای گرانشی ضعیف می باشد. اما قضیه تکینگی که پیشتر مورد بحث قرار گرفت، نشان میدهد که میدان گرانشی باید دست کم در دو حالت بسیار قوی باشد: حفره های سیاه و انفجار بزرگ. در چنین میدانهای نیرومندی تأثیر مکانیک کوانتوم بسیار برجسته است. بنابراین، به یک معنا، نسبیت عام کلاسیک، با پیش بینی نقاطی با چگالی نامتناهی، سقوط خود را پیش گوئی میکند، درست همانطور که مکانیک کلاسیک (غیر کوانتومی) با طرح آنکه اتمها فرو می پاشند و چگالی شان بینهایت میشود، سقوط خود را پیش بینی نمود. ما هنوز نظریه کامل و سازگاری که نسبیت عام و مکانیک کوانتوم را وحدت ببخشد، نداریم اما پاره ای از ویژگیهایی را که باید داشته باشد، می شناسیم. پیامدها و نتایج این ویژگیها در ارتباط با حفره های سیاه و انفجار بزرگ، در فصلهای بعدی تشریح می شوند. اما فعلاً میپردازیم به کوششهای اخیر برای نزدیک کردن دانش ما از دیگر نیروهای طبیعت و وحدت آنها در یک تئوری کوانتومی واحد.

ادامه دارد…